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문제 정의
- 본 논문에서는 다구찌 동특성 중 에너지 전환 이상기능 활용의 경험적 효율성을 논하고 그 유효성을 제품개발 사례를 통해 입증하고자 한다.
제안 방법
- 재현성의 평가는 통계적인 방법과 경험적인 방법이 있다. SN비는 db단위로 이미 가법성이 있기 때문에 이를 분산분석을 통해 통계적 유의성 검증하는 방법보다 다구찌박사가 제시한 경험적인 방법을 활용하였다. 즉 예측 대비 ±30% 이내에서 0에 가까울수록 재현성이 좋다는 기준을 적용하였다.
- 이와 같은 현상으로 SN비와 감도 S가 상반되어 최적 조건 선정이 혼란스럽다. SN비를 좋게 하는 1수준을 선택 할 수도 있지만 에너지 변환 효율을 높이기 위해 감도 S를 기준으로 하여 최종적으로 3수준을 선정하였다.
- 현재는 원하는 풍량(출력)을 얻기 위해 입력 신호가 700RPM으로 고정되어 있다. 그러나 이상기능을 평가하기 위해 그보다 적거나 많은 650, 750RPM을 실험 수준으로 추가하였다([Table 2] 참조). 이는 더 적은 에너지로 더 많은 풍량(기능)을 발생시키는 제어인자의 최적 조건을 찾기 위해서다.
- 따라서 본 연구에서는 실험의 출력으로 풍량을 선정하고 이때 입력인 전기 소모 에너지의 척도 중의 하나인 RPM을 신호인자로 선정하였다. 현재는 원하는 풍량(출력)을 얻기 위해 입력 신호가 700RPM으로 고정되어 있다.
- 인자 D인 Cutoff gap이 커지면 면적이 넓어지게 되고 이로 인해 일부 공기가 토출되지 않고 유입되어 토출 풍량 손실이 발생하여 토출 풍량이 작아지게 된다. 본 실험에서는 효과는 작지만 SN비와 감도 S의 경향이 바람직한 방향으로 일치하는 1수준을 최적 조건으로 선정하였다.
- 즉 엔지니어가 스트레스를 받고 줄이고자하는 것이 소음인 것은 분명하나 이 시스템의 기능은 입력 에너지를 풍량으로 전환하는 것이므로 폐해 항목인 소음이 아닌 풍량을 측정치로 선정 했다. 본 연구의 특징은 흔히 엔지니어가 실험에서 관심대상(스트레스)이 되는 폐해 항목인 소음을 측정했던 기존 방식으로부터 시스템의 이상기능을 측정하는 것, 입력을 700rpm으로 고정하고 실험을 했던 것을 선행성과 범용성 확보를 위해 700rpm을 중심으로 앞뒤로 신호 입력을 확장한 것이다. 본 사례 연구의 이상기능 y =β×M(y는 실험 측정치, M은 입력신호)은 다음과 같이 정의하였다([Figure 1] 참조).
- 실험계획 단계에서 계획 한 바와 같이 다구찌 동특성으로 분석하였다. 여기서 SN비와 감도는 전통적인 다구찌 동특성을 그대로 활용하였다.
- 즉 효과는 크지만 비용이 많이 드는 임펠러는 동일한 것으로 사용하고, universal jig.에 의한 열교환 fan-case에 한정하여 설계 파라미터 디자인 최적화를 통해 소음 문제를 해결 하였다.
- 그렇지만 각각의 실험 런에서 실제 빨래를 적게, 많이 넣는 것을 일정하게 제어한다는 것은 현실적으로 매우 어렵다. 여기서 빨래가 적다는 것은 기술적(공학적)으로 보면 저항이 적다는 것이고 빨래가 많다는 것은 저항이 크다는 것을 의미하므로 이를 일정하게 하기 위해 저항 제어장치를 만들어 실험마다 제어 일정하게 제어하였다([Table 3] 참조). 이렇게 노이즈인자의 수준을 실험마다 균일하게 제어하는 것이 강건성 평가와 재현성 확보는 물론 실험 효율에도 매우 중요하다.
- 요인효과 그래프를 통해 인자별로 기술적 해석을 하고 각 인자의 최적 수준을 선정하였다. 본 실험에서는 비용이 많이 드는 Impeller를 고정하였기 때문에 Impeller의 내경이 고정되었으므로 유입되는 공기의 양을 결정하는 원주 면적이 일정하게 되게 된다.
- 당면한 문제는 소음이었지만 최적화 실험에서 소음을 측정하지 않았다. 이 시스템의 기본 기능은 소음을 발생시키는 것이 아니라 바람을 생성하는 것이므로 풍량을 평가 특성(측정치)으로 선정하였다. 이미 언급 한 것처럼 실험 측정치를 소비자 관심사항인 품질특성 즉 연료 효율, 진동, 소음, 오염, 결함, 불량 등 하류품질을 다루는 것은 효율적이지 않다.
- 유입 공기 체적이 일정한 상태에서 B인자인 Impeller와 Fan Support와의 Gap이 크면 공기 토출 단면적이 커지게 되어 저항이 적어지므로 공기의 배출량이 많아지게 된다. 이때 소모된 에너지가 공기 누설(leak)에 적게 투입이 되어 공기 누설이 적게 되며, 그 만큼 누설에서 발생하는 진동과 소음 발생이 적어졌다고 기술적인 해석을 하였다. 그러므로 인자 B는 SN비와 감도 S를 모두 좋게 하는 3수준을 선택하였다.
- 그러나 해당 팀의 업무는 진동과 소음을 개선하는 팀으로 모터를 설계 할 권한이 없으며 또한 임펠러 설계는 금형을 새로 만드는 등 비용의 한계 때문에 재설을 할 수 없는 상황이다. 이러한 이유로 상대적으로 자원이 적게 드는 Fan Case를 재설계하여 당면한 소음 문제를 해결하기로 하였다. 즉 효과는 크지만 비용이 많이 드는 임펠러는 동일한 것으로 사용하고, universal jig.
- 제어인자는 엔지니어와 협의를 통해 풍량에 영향을 줄만한 인자 중 중요하다고 생각하는 인자 4개 선정하고 제어인자의 비선형성을 파락하기 위해 3수준으로 정하였다([Table 4] 참조). 흡입 풍량과 관계가 있다고 생각한 Orifice suction 내경, Universal jig와 함께 연동되면서 토출 풍량에 영향을 준다고 생각한 Fan case와 Impeller 간극, Cutoff 각도, Cutoff 간극 등 4가지를 제어인자로 선정 하였다([Figure 2] 참조).
- 제어인자의 역할은 입력에너지를 저항 등 노이즈에 영향을 받지 않고 기본기능인 풍량을 많이 발생하게 하는 것이다. 즉 엔지니어가 스트레스를 받고 줄이고자하는 것이 소음인 것은 분명하나 이 시스템의 기능은 입력 에너지를 풍량으로 전환하는 것이므로 폐해 항목인 소음이 아닌 풍량을 측정치로 선정 했다. 본 연구의 특징은 흔히 엔지니어가 실험에서 관심대상(스트레스)이 되는 폐해 항목인 소음을 측정했던 기존 방식으로부터 시스템의 이상기능을 측정하는 것, 입력을 700rpm으로 고정하고 실험을 했던 것을 선행성과 범용성 확보를 위해 700rpm을 중심으로 앞뒤로 신호 입력을 확장한 것이다.
대상 데이터
- 따라서 인자 A인 Orifice suction 직경이 변화를 하더라도 토출 풍량의 변화에는 영향이 미미하다. 그래서 감도 S보다는 SN비가 큰 3수준인 190을 최적 조건으로 선정하였다.
- 본 사례는 L사 빨래건조기의 Fan Case 파라미터 설계를 통해 소음과 진동을 해결한 것이다. 빨래 건조기는 메카트로닉스 가전제품으로 구동 시스템이 동반되어 제품 사용 시 진동과 소음이 사용자들로부터 문제가 되는 경우가 많다.
- 실험 런 9개 각각에 대하여 신호인자 650, 700, 750 RPM에 2개의 노이즈 인자를 반영하여 실험을 하여 데이터를 측정하였다. 각 실험의 일부 데이터는 [Table 6]과 같다.
- 흡입 풍량과 관계가 있다고 생각한 Orifice suction 내경, Universal jig와 함께 연동되면서 토출 풍량에 영향을 준다고 생각한 Fan case와 Impeller 간극, Cutoff 각도, Cutoff 간극 등 4가지를 제어인자로 선정 하였다([Figure 2] 참조). 현실적으로 실험에 드는 시간, 비용을 고려하여 가장 적합하다고 생각하는 L9(34) 직교배열표에 할당하여 실험을 하였다([Table 5] 참조).
- 제어인자는 엔지니어와 협의를 통해 풍량에 영향을 줄만한 인자 중 중요하다고 생각하는 인자 4개 선정하고 제어인자의 비선형성을 파락하기 위해 3수준으로 정하였다([Table 4] 참조). 흡입 풍량과 관계가 있다고 생각한 Orifice suction 내경, Universal jig와 함께 연동되면서 토출 풍량에 영향을 준다고 생각한 Fan case와 Impeller 간극, Cutoff 각도, Cutoff 간극 등 4가지를 제어인자로 선정 하였다([Figure 2] 참조). 현실적으로 실험에 드는 시간, 비용을 고려하여 가장 적합하다고 생각하는 L9(34) 직교배열표에 할당하여 실험을 하였다([Table 5] 참조).
이론/모형
- (3) 상류품질(Upstream quality(robust quality)) : 특정 제품의 고정된(정적) 출력에 대한 강건성을 평가하는 것으로 아래의 원류 품질 다음 두 번째로 바람직한 품질특성이라고 할 수 있다. 즉 정특성 SN비(Non-dynamic SN비)를 활용하여 평가한다.
성능/효과
- (1) 입력 에너지가 원하는 출력으로 전환되는 것을 최대화하여 폐해항목(Negative Characteristics)인 품질특성(예, 자동차 엔진의 소음, 진동, 마모, 발열, 수명 등)으로의 입력에너지 전환을 최소화 할 수 있다. 이는 에너지 보존법칙에 따라 동일 에너지 투입 시 이상기능(본질)의 출력을 크게 하면 할수록 폐해항목으로 전환 되는 입력 에너지는 그만큼 적어지게 되어 결국 폐해항목의 출력은 줄게 된다.
- (2) 가장 작은 에너지로 구현 할 수 있는 기능의 한계치를 도출하여 제품개발 이전에 제품을 구현하는 기술을 확보할 수 있다. 이를 통해 기술 개발 효율을 높이고 비용을 시간을 줄일 수 있으며 소형화(Downsizing)를 할 수 있다.
- (3) 품질특성의 다양성(예 : 자동차 엔진의 소음, 진동, 마모, 발열, 수명 등)을 모두 평가하는 어려움(노력)을 이상기능으로 단순화하여 실험의 노력을 줄이는 것은 물론 복잡하고 과다한 분석 노력을 줄일 수 있다.
- (4) 원류품질(Origin quality(functional quality)) : 상류품질특성이 특정 제품에 대한 강건성을 좋게 하는 것이라면 원류품질은 기술(개발)의 강건성을 평가함으로써 제품 군(Product family) 전체에 대한 범용적인 강건성을 확보하는데 효과적이며 이를 위해 동특성 SN비를 활용한다. 즉 제품이나 공정의 기본기능(generic function)을 측정하고 그 안정성을 확보하기 때문에 이를 통한 개발의 결과는 범용성은 물론 다양한 제품이나 공정에서의 재현성 확보가 용이하여 가장 좋은(효율적인) 특성이라 할 수 있다.
- 즉 예측 대비 ±30% 이내에서 0에 가까울수록 재현성이 좋다는 기준을 적용하였다. SN비 이득(gain)에 대한 재현성 확인 결과, 예측 0.3db에서 재현 결과가 0.26db로 약간의 개선이 있었으며 예측 대비 오차 13%로 재현성이 있다고 판단했다. 그리고 감도 S의 재현성 확인 결과 예측 대비 20.
- 결과적으로 효율을 나타내는 β는 기존대비 평균 44% 향상되었으며 그에 따라 각 신호인자에서 실제 풍량이 42~45% 증가하였고 SN비도 0.26db 개선되었다.
- 26db로 약간의 개선이 있었으며 예측 대비 오차 13%로 재현성이 있다고 판단했다. 그리고 감도 S의 재현성 확인 결과 예측 대비 20.9%로 재현성이 있다고 판단하였다
- 26db 개선되었다. 또한 원래 해결하고자 했던 품질 특성 중 하나인 소음도 X, Y축 별로 3~5db 감소되었다.
- 이러한 논리를 적용한 사례 연구 결과 바라는 이상기능인 풍량이 42~45%가 증가되면서 강건성(SN비)도 향상되고 동시에 초기 연구의 목적 특성인 바라지 않는 폐해 항목, 즉 소음이 각 X, Y축 별로 3~5db가 줄어들었다. 이를 통하여 에너지 전환 이상기능 적용의 유효성을 검증 할 수 있었다.
- 이러한 논리를 적용한 사례 연구 결과 바라는 이상기능인 풍량이 42~45%가 증가되면서 강건성(SN비)도 향상되고 동시에 초기 연구의 목적 특성인 바라지 않는 폐해 항목, 즉 소음이 각 X, Y축 별로 3~5db가 줄어들었다. 이를 통하여 에너지 전환 이상기능 적용의 유효성을 검증 할 수 있었다.
- 즉 예측 대비 ±30% 이내에서 0에 가까울수록 재현성이 좋다는 기준을 적용하였다.
- (4) 원류품질(Origin quality(functional quality)) : 상류품질특성이 특정 제품에 대한 강건성을 좋게 하는 것이라면 원류품질은 기술(개발)의 강건성을 평가함으로써 제품 군(Product family) 전체에 대한 범용적인 강건성을 확보하는데 효과적이며 이를 위해 동특성 SN비를 활용한다. 즉 제품이나 공정의 기본기능(generic function)을 측정하고 그 안정성을 확보하기 때문에 이를 통한 개발의 결과는 범용성은 물론 다양한 제품이나 공정에서의 재현성 확보가 용이하여 가장 좋은(효율적인) 특성이라 할 수 있다.
후속연구
- (4) 관심이 있는 품질특성 중 하나를 좋게 하면 다른 품질특성이 나쁘게 되는 현상(품질특성간 trade-off)을 방지 할 수 있다.
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